單片機中的軟硬件防干擾方法   
  1 引言 
  隨著單片機技術應用發展，在應用過程中，如何防止外界的干擾，確保單片機安全可靠運行，是一個很重要的問題。我們在多項測控項目的實踐中體會到，干擾源主要來自三個方面。一是空間場干擾，通過電磁輻射富入系統：二是電源干擾，它直接侵害系統：三是信號通道干擾，通過與單片機相連的前、后向通道進入系統。一般來說，空間場干擾在強度上遠小于其他兩個干擾源產生的干擾，且容易對付。只要采取良好的屏蔽、正確的接地及恰當的高頻濾波就可以得到滿意解決。   2 千擾的來源分析 
  2.1來自交流電源的干擾 
  開關的通斷，火花干擾，電焊、大電機的啟動等，在工業環境中是常見的。這些來自電源的干擾都會破壞單片機的正常運行。要完全抑制來自交流電源的干擾是十分困難的，其原因是干擾傳播的途徑往往不清楚。干擾的頻帶很難定量化，交流電源及負載的阻抗很難實測，電源濾波器的特性和實際干擾頻帶也往往有差異。 
  在實際使用中，常常要應用交流電源供電，因此，必須采取措施克服來自電源的干擾。   2.2來自信號通道的干擾 
  為達到數據采集或實時控制的目的，開關量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出是必不可少的。在工業現場，如果被控對象是一個強干擾源(如可控硅、電焊機等)，單片機根本無法工作。 
  對于開關量的輸入、輸出要采取隔離措施，已為大多數工程技術人員所接受。然而對模擬量輸入、輸出也必須采取隔離措施，大多數人尚認識不足。模擬量輸入、輸出不進行隔離。雖說可以運行，但會產生“程序亂飛”，使可靠性下降，對于連續工作的對象(如鍋爐、空調等)來說是不允許的。因此，在單片機控制時，這個問題也必須注意。對于模擬量、開關量的輸入、輸出都采取隔離措施，才能保證系統穩定運行。   2.3來自空間的輻射干擾 
  在特殊的情況下，如在發射機、中頻爐、可控硅逆變電源周圍，單片機往往不能正常工作。 
  上述三種干擾危害以來自交流電源的干擾最甚，其次為來自信號通道的干擾。來自空間的輻射干擾不太突出，一般只須加以適當的屏蔽及接地就可解決。   3 硬件抗干擾措施   3.1電源干擾的抑制 
  要保證系統工作的穩定可靠，前提是保證供電的穩定性，防止電源的過壓與欠壓。因此，在電源的前向要求配置交流穩壓器，這樣有利于提高整個系統的可靠性。對于短暫時間的停電，可配置UPS電源。任何電源和輸電線路都存在內阻，正是這些內阻才引起電源的噪聲干擾。考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次線圈的互感偶合，而是由初、次級間寄生電容偶合的。因此，在交流穩壓器之后應加隔離變壓器，且初、次級之間均需用屏蔽層隔離，以減少分布電容，提高抗共模干擾的能力。另外，由諧波頻譜分析可知，電源引起的干擾大部分是高次諧波。這樣就可在隔離變壓器之后設計低通濾波器，讓5 0HZ市電基波通過，濾去高次諧波，改善電源波形。設計時應注意： 
  當濾波器工作在低電壓且載有大電流時，宜采用小電感和大電容構成的濾波網絡：當工作在高壓下，則宜采用小電容和允許的最大電感構成的濾波網絡。 
  在整流電路之后加接附圖所示的雙T濾波器，用以消除50Hz的工頻干擾。它結構簡單，對固定頻率的干擾濾波效果好。調試步驟為：先將電容C固定，然后模擬現場運行環境調節電阻，當輸人50Hz信號時，使輸出V0=0.


在實際控制系統中，往往需要提供多種電源，此時應采用分散獨立的功能塊供電，且口用相應的三端集成穩壓塊分別組成所需的穩壓電源。這樣可以減少公共阻抗和公共電源的相互偶合，有利于電源散熱，大大提高供電的可靠性。   3.2信號通道干擾的抑制 
  (1)共阻抗偶合干擾及其抗干擾措施。通過公共接地線的偶合形成共模干擾。A/D，D/A等I/O板的輸入、輸出電路的“地”與單片機地線GND之間有各種信號電路的電流流過，并由接地線阻抗變換成電壓，形成共模干擾。其次，在I/O電路、前置放大器等各部分電路中，也存在同樣的的共地偶合形成局部的共模干擾，尤其是執行機構開關通斷、線圈動作等通過共地構成的回饋干擾尤為嚴重，特別是感性負載時，若不注意反電勢，有關電子會受到損壞。 
  針對共阻抗偶合干擾采取如下措施：① 采用單點接地和分別電源供電，消除共阻抗回路。數字信號地線、信號源地線和負載地線分開設置，數字電路、模擬電路和負載電路分別單獨供電，獨自構成回路且單點接地。②加強電源退偶。為避免通過共用電源內阻造成幾個電路之間的相互干擾，應在每個電路的直流電源進線與地線之間加裝退偶濾波器，工作頻率較高的電路加LC濾波器或RC濾波器。一般單片機主板及其外圍接口電路和一般I/O板等，在大規模集成電路電源引腳處加一只0.1u F電容，小功率TTL電路可幾片加一只退偶電容即可。③ 用集成隔離放大器切斷共阻抗環路。由于隔離放大器采用浮離式設計，消除了輸入、輸出間的直接偶合，切斷了共地和共電源環路，因而具有共模抑制比高、能保護系統元件不受高共模電壓的損害和防止高壓對低壓信號系統損壞的特點。④采用光電隔離器切斷共阻抗環路。單片機與各數字電路、脈沖電路或開關電路的接口可用數字式光電隔離器進行隔離，以切斷共阻抗環路，避免長線感應及電源和各種負載通過共阻抗回饋的各種干擾的竄入。對于線性模擬電路通道，如因考慮成本不能使用隔離放大器進行隔離時，則可采用線性光偶或用V/F變換后再用數字光偶進行隔離。   (2)靜電偶合干擾及其對策。靜電偶合是由于兩個電路間存在寄生電容，使一個電路的變化影響到另一個電路。 
  一般尖蜂干擾或脈沖干擾的頻譜極高，其靜電1禺合的途徑不能忽視。 
  針對靜電偶合干擾采取如下措施：①合理布線，減少分布電容，特別是高頻信號線盡量不要與其他信號線路平行走線，若必須平行走線時，應注意留一定的距離，以切斷靜電偶合通道。② 降低接收電路輸入阻抗。   例如用光電偶合器等。光電的輸入阻抗與干擾源相比極小，前者數量級為100Ω/～1kΩ ，而后者則為105 Ω～108Ω，因此，使用光偶可以使干擾大大減小。   (3)傳導偶合干擾及其措施。在單片機測控系統中，傳輸線上的信息多為脈沖信號，它在傳輸線上傳輸時會出現延時、畸變和衰減。尤其是當長傳輸線經過干擾環境時，導線相當于天線拾取干擾信號，對電路產生干擾。 
  針對傳導偶合千擾采取如下措施：①長傳輸線采用屏蔽線，避免電磁感應干擾。但要注意屏蔽層要一端接大地，并保證接地良好。若采用兩端接地，屏蔽層又構成新的干擾回路，起不到好的屏蔽效果。②用光電偶合器將長線完全浮置起來，長線的“浮置”去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各邏輯電路的電流經公共地線時所產生的噪聲電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配問題。同時，受控設備短路時，還能保護系統不受損害。③傳輸線應盡量遠離變壓器及電源等大功率器件，且盡可能短。若較長時，可用雙絞屏蔽線傳輸，用雙絞屏蔽線與光電偶合器配合使用效果更佳。同時，注意強電信號線和弱電信號線分開，高頻信號線和低頻信號線分開，交流和直流分開，電源線和信號線分開。
4 軟件抗干擾措施 
  根據經驗，用軟件方法抑制信號通道干擾很有效，下面就這個范圍介紹幾種軟件抗干擾的方法。 
  4.1數據采集干擾抑制方法 
  進行實時數據采集時，為了消除傳感器通道中的干擾信號，有三種常用濾波方法。   (1)算術平均算法。對一點數據連續采樣多次，以其平均值作為該點采樣結果。這樣做可以減少系統的隨機干擾對采樣結果的影響，多次采樣一般取3～5次平均即可。   (2)比較取合法。當測控系統測量結果的個別數據存在偏差時，為了剔除個別誤差較大的數據，可采用此法，即根據幾個采樣點數據變化的規律，確定取合辦法。如：“采三取二”，就是對每點采樣三次，取兩次相同的為采樣結果。 
  (3)數字濾波法。該方法利用軟件完成RC低通濾波器的算法，經常采用的二階遞推數字濾波公式為： 
  實踐證明，采用軟件濾波對消除數據采集中的誤差可以獲得滿意效果。在應用中，究竟使用哪一種方法，要根據被采樣信號的具體變化規律進行選擇。   4.2控制失常的抑制方法 
  在大量開關量的單片機系統中，確保信號的正常狀態顯得尤為重要。   如果干擾進入系統影響到控制條件時，就會出現失控現象，通常可用下述兩種方法抑制。   (1)重復檢查法。對于開關量、控制條件處理輸出，進行循環采樣。若相鄰各次檢測結果在允許誤差范圍內，則輸出控制。如超出誤差范圍，則重新檢測，直至檢測結果符合要求為止。 
  (2)設置輸出寄存單元。當干擾侵入輸出通道使輸出狀態破壞時，也會導致控制失常。此時應考慮設置輸出寄存單元，在控制輸出時可及時查詢、比較寄存器單元的內容，一旦異常可及時糾正輸出狀態。 
  4.3程序盲目運行的抑制方法   系統受到干擾時，有時PC值被改變，結果導致程序飛出，盲目運行和進人死循環。顯然，抗干擾軟件要能做到：一旦系統出現上述情況后，能自動及時地引導系統恢復到正常狀態，以下兩種方法有效。 
  (1)設置Watchdog。Watchdog亦即跟蹤監視定時器，利用定時器中斷功能來監視程序的運行狀態。具體做法為：測算好最長循環程序循環一次的時間，然后定時時間的設置稍大于它。正常循環一次后，定時器重新置初值，否則定時器繼續計數，直到溢出進入中斷。在中斷服務程序中設置PC值，迫使其跳出死循環。 
  (2)設置陷阱方法。若PC值并非進人死循環，而是隨機“亂飛”，可設置陷阱攔截。具體做法是在所有子程序和程序快的連接處(前提是程序正常運行時不會進入該處)填上絕對跳轉指令，失控的PC一旦進入該處即可捕獲，迫使其重新回到復位狀態。   
5 結束語 
  實踐證明，只要對單片機系統實行總體抗干擾設計，就可保障它在工作環境惡劣的條件下可靠運行。